揭示印迹巩固和记忆细化的细胞机制

想一想您在短时间内有两次不同但相似的经历的经历。也许您在同一周内参加了两次假日聚会或在工作中进行了两次演讲。不久之后，您可能会发现自己混淆了两者，但随着时间的推移，这种混淆逐渐消失，您能够更好地区分这些不同的体验。

1 月 19 日发表在《自然神经科学》杂志上的新研究表明，这一过程发生在细胞水平上，这一发现对于理解和治疗阿尔茨海默病等记忆障碍至关重要。

动态印记存储记忆

该研究的重点是印迹，它们是大脑中存储记忆信息的神经元细胞。

印迹是重新激活以支持记忆回忆的神经元。当印迹被破坏时，你就会失忆。”

Dheeraj S. Roy 博士是该论文的资深作者之一，也是布法罗大学雅各布斯医学和生物医学学院生理学和生物物理学系的助理教授

他解释说，在经历之后的几分钟和几小时内，大脑需要巩固印迹来存储它。“我们想知道：在这个巩固过程中发生了什么？在形成印迹和稍后需要回忆该记忆之间发生了什么？”

研究人员开发了一种学习和记忆形成的计算模型，该模型从刺激的感觉信息开始。一旦这些信息到达海马体（大脑中形成记忆的部分），不同的神经元就会被激活，其中一些是兴奋性的，另一些是抑制性的。

当海马体中的神经元被激活时，并非所有神经元都会同时放电。随着记忆的形成，恰好被及时激活的神经元成为印迹的一部分，并加强它们的连接以支持未来的回忆。

“记忆回忆过程中印迹细胞的激活不是一个全有或全无的过程，而是通常需要达到一个阈值（即原始印迹的百分比）才能有效回忆，”罗伊解释道。“我们的模型是第一个证明印迹群体不稳定的模型：在回忆过程中被激活的印迹细胞数量随着时间的推移而减少，这意味着它们本质上是动态的，因此下一个关键问题是这是否会产生行为后果”。

记忆辨别需要动态印迹

“在学习后的巩固期，大脑正在积极地努力区分两种经历，这可能是单个记忆的激活印迹细胞数量随着时间的推移而减少的原因之一，”他说。“如果这是真的，这就能解释为什么记忆辨别力会随着时间的推移而变得更好。就像你对经历的记忆最初是一条大高速公路，但随着时间的推移，在几分钟到几小时的巩固期过程中，你的大脑将它们分成两条车道，这样你就可以区分两条车道。”

罗伊和团队中的实验人员现在有了一个可检验的假设，他们使用小鼠进行了一项完善的行为实验来进行该假设。小鼠被短暂暴露于两个具有独特气味和照明条件的不同盒子中；其中一个是中性环境，但在第二个盒子中，他们受到了轻微的足部震动。

经历那次经历后几个小时，通常会不断移动的老鼠在暴露于任一盒子时都会表现出冻结的恐惧记忆回忆。“这表明他们无法区分两者，”罗伊说。“但是到了十二点，突然之间，只有当它们暴露在第一次体验时感到不舒服的盒子里时，它们才会表现出恐惧。它们能够区分这两者。动物告诉我们，它们知道这一点盒子是可怕的，但五个小时前他们还做不到这一点。”

使用光敏技术，研究小组能够在小鼠探索盒子时检测到小鼠海马体中的活跃神经元。研究人员使用这种技术来标记活跃的神经元，然后测量有多少神经元被大脑重新激活以进行回忆。他们还进行了实验，允许跨经验和时间追踪单个印迹细胞。“所以我可以从字面上告诉你一个印迹细胞或它们的一个子集如何随着时间的推移对每种环境做出反应，并将其与它们的记忆辨别能力联系起来，”罗伊解释道。

该团队最初的计算研究预测，单个记忆中涉及的印迹细胞数量会随着时间的推移而减少，动物实验也证实了这一点。

“当大脑第一次学习某些东西时，它不知道需要多少神经元，因此有意招募更大的神经元子集，”他解释道。“当大脑稳定神经元、巩固记忆时，它会切除不必要的神经元，因此需要的神经元更少，这样做有助于分离不同记忆的印迹。”

记忆障碍是怎么回事？

这些发现与了解阿尔茨海默病等记忆障碍的问题有直接关系。罗伊解释说，要开发针对此类疾病的治疗方法，了解最初的记忆形成、巩固和激活印迹以进行回忆的过程中发生的情况至关重要。

罗伊说：“这项研究告诉我们，记忆功能障碍发生的一个很可能的原因是，记忆形成后的早期窗口出现了问题，印迹必须在这个窗口发生变化。”

他目前正在研究早期阿尔茨海默病的小鼠模型，以查明印迹是否正在形成但没有正确稳定。现在人们对印迹如何形成和稳定记忆有了更多的了解，研究人员可以检查当印迹数量减少时，动物模型中哪些基因正在发生变化。

“我们可以查看小鼠模型并询问，是否有特定的基因被改变？如果是这样，那么我们终于有了一些可以测试的东西，我们可以为印迹的这些‘精炼’或‘巩固’过程调节基因，看看是否这对提高记忆力有一定作用，”他说。

罗伊现在在雅各布斯学院，作为麻省理工学院 (MIT) 和哈佛大学布罗德研究所的麦戈文研究员进行了这项研究。罗伊是今年雅各布斯学院招募的三名神经科学家之一，他们在学校的生理学和生物物理学系启动了系统神经科学的新重点。

该论文的共同作者来自伦敦帝国理工学院；奥地利科学技术研究所；麻省理工学院麦戈文脑研究所；以及中国清华大学生命科学中心和 IDG/麦戈文脑研究所。

这项工作得到了伦敦帝国理工学院校长博士奖学金的资助；威康信托；生物技术和生物科学研究委员会；西蒙斯基金会；工程和物理科学研究委员会；生命科学学院和 IDG/麦戈文脑研究所。罗伊得到了沃伦·阿尔珀特杰出学者奖和美国国立卫生研究院的支持。